Das James-Webb-Weltraumteleskop entdeckt die entferntesten Galaxien

Der Advanced Deep Extragalactic Survey (JADES) von JWST konzentrierte sich auf die Region in und um das ultratiefe Feld des Hubble-Weltraumteleskops. Mit dem NIRCam-Instrument von Webb beobachteten die Wissenschaftler das Feld in neun verschiedenen Infrarot-Wellenlängenbereichen. Aus diesen Bildern (links angezeigt) suchte das Team nach schwachen Galaxien, die im Infrarot sichtbar sind, deren Spektren jedoch bei einer kritischen Wellenlänge, die als Lyman-Fraktur bekannt ist, abrupt abbrechen. Das Webb NIRSpec-Instrument lieferte dann eine genaue Messung der Rotverschiebung für jede Galaxie (rechts gezeigt). Vier der untersuchten Galaxien sind besonders speziell, da sich herausstellte, dass sie sich in einer beispiellos frühen Ära befinden. Diese Galaxien sind weniger als 400 Millionen Jahre nach dem Urknall entstanden, als das Universum nur 2 % seines heutigen Alters hatte. Im Hintergrundbild steht Blau für Licht bei 1,15 Mikrometer (115 W), Grün für 2,0 Mikrometer (200 W) und Rot für 4,44 Mikrometer (444 W). In den ausgeschnittenen Bildern ist Blau eine Mischung aus 0,9 und 1,15 Mikrometer (090 W + 115 W), Grün ist 1,5 Mikrometer (150 W + 200 W) und Rot ist 2,0, 2,77 und 4,44 Mikrometer (200 W + 277 W + 444 W). Bildnachweis: NASA, ESA, CSA, STScI, M. Zamani (ESA/Webb) und L. Hustak (STScI). Wissenschaften: B. Robertson (UCSC), S. Tacchella (Cambridge), E. Curtis-Lake (Hertfordshire), S. Carniani (Scuola Normale Superiore) und JADES Collaboration

Astronomen berichten von den am weitesten entfernten bekannten Galaxien, die von JWST entdeckt und bestätigt wurden.

Ein internationales Team von Astronomen hat die ältesten und am weitesten entfernten Galaxien entdeckt, die bisher mit Daten des James Webb Space Telescope (JWST) bestätigt wurden. Das Teleskop hat das Licht dieser Galaxien vor mehr als 13,4 Milliarden Jahren eingefangen, was bedeutet, dass die Galaxien weniger als 400 Millionen Jahre nach dem Urknall entstanden sind, als das Universum nur 2 % seines heutigen Alters hatte.

Erste Beobachtungen des JWST ergaben mehrere Kandidatengalaxien in großen Entfernungen, ebenso wie frühere Beobachtungen mit dem Hubble-Weltraumteleskop. Jetzt wurden vier dieser Ziele durch lange spektroskopische Beobachtungen bestätigt, die nicht nur sichere Messungen ihrer Entfernungen liefern, sondern es Astronomen auch ermöglichen, die physikalischen Eigenschaften von Galaxien zu charakterisieren.

„Wir haben Galaxien zu fantastisch frühen Zeiten im fernen Universum entdeckt“, sagte Brant Robertson, Professor für Astronomie und Astrophysik an der University of California, Santa Cruz. „Mit JWST können wir jetzt erstmals so weit entfernte Galaxien finden und dann spektroskopisch bestätigen, dass sie wirklich weit entfernt sind.“

Astronomen messen die Entfernung zu einer Galaxie, indem sie ihre Rotverschiebung bestimmen. Aufgrund der Ausdehnung des Universums scheinen sich entfernte Objekte von uns zu entfernen und ihr Licht wird durch den Doppler-Effekt zu längeren, röteren Wellenlängen gestreckt. Photometrische Techniken, die auf Bildern basieren, die durch verschiedene Filter aufgenommen wurden, können Rotverschiebungsschätzungen liefern, aber endgültige Messungen erfordern Spektroskopie, die Licht von einem Objekt in Wellenlängenkomponenten aufteilt.

(Klicken Sie auf das Bild, um die vollständige Grafik anzuzeigen.) Das Universum dehnt sich aus, und diese Ausdehnung dehnt das Licht aus, das sich in einem Phänomen, das als kosmische Rotverschiebung bekannt ist, durch den Weltraum bewegt. Je größer die Rotverschiebung ist, desto größer ist die Entfernung, die das Licht zurückgelegt hat. Daher sind Teleskope mit Infrarotdetektoren notwendig, um das Licht der ersten und entferntesten Galaxien zu sehen. Bildnachweis: NASA, ESA und L. Hustak (STSci)

Die neuen Ergebnisse konzentrieren sich auf vier Galaxien mit einer Rotverschiebung von mehr als 10. Zwei Galaxien, die ursprünglich von Hubble beobachtet wurden, bestätigten Rotverschiebungen von 10,38 und 11,58. Die beiden am weitesten entfernten Galaxien, die beide in den JWST-Bildern entdeckt wurden, haben Rotverschiebungen von 13,20 und 12,63, was sie zu den am weitesten entfernten Galaxien macht, die bisher durch Spektroskopie bestätigt wurden. Eine Rotverschiebung von 13,2 entspricht etwa 13,5 Milliarden Jahren.

„Diese sind viel weiter entfernt, als wir uns jemals vorgestellt hätten, dass sie vor JWST entdeckt worden wären“, sagte Robertson. Bei Rotverschiebung 13 ist das Universum nur 325 Millionen Jahre alt.

Robertson und Emma Curtis Lake von der University of Hertfordshire (UK) sind die Hauptautoren von zwei Artikeln zu Ergebnissen, die noch nicht dem Peer-Review-Prozess unterzogen wurden (siehe Links unten).

Die Beobachtungen resultierten aus einer Zusammenarbeit von Wissenschaftlern, die die Entwicklung von zwei von Webbs Onboard-Instrumenten leiteten, der Near Infrared Camera (NIRCam) und dem Near Infrared Spectroradiometer (NIRSpec). Die Suche nach schwächeren, älteren Galaxien war der Hauptantrieb bei den Konzepten für diese Instrumente. Im Jahr 2015 schlossen sich die Instrumententeams zusammen, um den JWST Advanced Deep Extragalactic Survey (JADES) vorzuschlagen, ein ehrgeiziges Programm, das etwas mehr als einen Monat Teleskopzeit in Anspruch nahm und darauf ausgelegt ist, einen Blick auf das frühe Universum in beispielloser Tiefe zu ermöglichen. und Details. JADES ist eine internationale Zusammenarbeit von mehr als achtzig Astronomen aus zehn Ländern.

„Diese Ergebnisse sind der Höhepunkt dessen, warum das NIRCam-Team und NIRSpec zusammengekommen sind, um dieses Überwachungsprogramm zu implementieren“, sagte Marcia Rieke, Hauptforscherin für NIRCam an der University of Arizona.

Das JADES-Programm begann mit NIRCam, wobei mehr als 10 Tage Missionszeit verwendet wurden, um ein kleines Stück Himmel in und um das Hubble Ultra-Depth Field zu beobachten. Astronomen untersuchen diese Region seit mehr als 20 Jahren mit fast allen großen Teleskopen. Das JADES-Team beobachtete das Feld in neun verschiedenen Infrarotwellenlängenbereichen und nahm bemerkenswerte Bilder auf, die fast 100.000 entfernte Galaxien mit jeweils Milliarden von Lichtjahren zeigen.

Anschließend nutzte das Team das NIRSpec-Spektrometer für einen Beobachtungszeitraum von drei Tagen, um Licht von 250 schwachen Galaxien zu sammeln. Dies führte zu genauen Rotverschiebungsmessungen und enthüllte die Eigenschaften des Gases und der Sterne in diesen Galaxien.

„Mit diesen Messungen können wir die Eigenhelligkeit von Galaxien erfahren und herausfinden, wie viele Sterne sie haben“, sagte Robertson. „Jetzt können wir wirklich anfangen zu kartieren, wie Galaxien im Laufe der Zeit zusammenkommen.“

Co-Autor Sandro Tequila von der University of Cambridge im Vereinigten Königreich fügte hinzu: „Es ist schwierig, Galaxien zu verstehen, ohne die Anfangsperioden ihrer Evolution zu verstehen. Wie beim Menschen hängt viel von dem, was später passiert, vom Einfluss dieser frühen Sternengenerationen ab.“ Viele Fragen zu Galaxien warten auf die transformative Gelegenheit.“ Webb, und wir sind begeistert, eine Rolle bei der Enthüllung dieser Geschichte spielen zu können.“

Laut Robertson hätte die Sternentstehung in diesen frühen Galaxien etwa 100 Millionen Jahre vor dem Alter begonnen, in dem sie beobachtet wurden, was die Entstehung der ersten Sterne auf etwa 225 Millionen Jahre danach verschoben hätte.[{“ attribute=““>Big Bang.

“We are seeing evidence of star formation about as early as we could expect based on our models of galaxy formation,” he said.

Other teams have identified candidate galaxies at even higher redshifts based on photometric analyses of JWST images, but these have yet to be confirmed by spectroscopy. JADES will continue in 2023 with a detailed study of another field, this one centered on the iconic Hubble Deep Field, and then a return to the Ultra Deep Field for another round of deep imaging and spectroscopy. Many more candidates in the field await spectroscopic investigation, with hundreds of hours of additional time already approved.

For more on this research, see NASA’s Webb Space Telescope Discovers Earliest Galaxies in the Universe.

References:

“Discovery and properties of the earliest galaxies with confirmed distances” by B. E. Robertson, S. Tacchella, B. D. Johnson, K. Hainline, L. Whitler, D. J. Eisenstein, R. Endsley, M. Rieke, D. P. Stark, S. Alberts, A. Dressler, E. Egami, R. Hausen, G. Rieke, I. Shivaei, C. C. Williams, C. N. A. Willmer, S. Arribas g, N. Bonaventura, A. Bunker, A. J. Cameron, S. Carniani, S. Charlot, J. Chevallard, M. Curti, E. Curtis-Lake, F. D’Eugenio, P. Jakobsen, T. J. Looser, N. Lützgendorf, R. Maiolino, M. V. Maseda, T. Rawle, H.-W. Rix, R. Smit, H. Übler, C. Willott, J. Witstok, S. Baum, R. Bhatawdekar, K. Boyett, Z. Chen, A. de Graaff, M. Florian, J. M. Helton, R. E. Hviding, Z. Ji, N. Kumari, J. Lyu, E. Nelson, L. Sandles, A. Saxena, K. A. Suess, F. Sun, M. Topping and I. E. B. Wallace, 17 November 2022, Astrophysics > Astrophysics of Galaxies.
arXiv:2212.04480

“Spectroscopic confirmation of four metal-poor galaxies at z=10.3-13.2” by Emma Curtis-Lake, Stefano Carniani, Alex Cameron, Stephane Charlot, Peter Jakobsen, Roberto Maiolino, Andrew Bunker, Joris Witstok, Renske Smit, Jacopo Chevallard, Chris Willott, Pierre Ferruit, Santiago Arribas, Nina Bonaventura, Mirko Curti, Francesco D’Eugenio, Marijn Franx, Giovanna Giardino, Tobias J. Looser, Nora Lützgendorf, Michael V. Maseda, Tim Rawle, Hans-Walter Rix, Bruno Rodriguez del Pino, Hannah Übler, Marco Sirianni, Alan Dressler, Eiichi Egami, Daniel J. Eisenstein, Ryan Endsley, Kevin Hainline, Ryan Hausen, Benjamin D. Johnson, Marcia Rieke, Brant Robertson, Irene Shivaei, Daniel P. Stark, Sandro Tacchella, Christina C. Williams, Christopher N. A. Willmer, Rachana Bhatawdekar, Rebecca Bowler, Kristan Boyett, Zuyi Chen, Anna de Graaff, Jakob M. Helton, Raphael E. Hviding, Gareth C. Jones, Nimisha Kumari, Jianwei Lyu, Erica Nelson, Michele Perna, Lester Sandles, Aayush Saxena, Katherine A. Suess, Fengwu Sun, Michael W. Topping, Imaan E. B. Wallace and Lily Whitler, 8 December 2022, Astrophysics > Astrophysics of Galaxies.
arXiv:2212.04568